Происхождение химических элементов

1.3.Происхождение химических элементов

В природе существуют в основном стабильные ядра и небольшое число долгоживущих радиоактивных изотопов. В легких ядрах содержится одинаковое количество нейтронов и протонов. Чем больше заряд ядра, тем труднее ядерным силам притяжения бороться с возрастающим электростатическим отталкиванием протонов. Природа справилась с этими затруднением, отпустив на тяжелые ядра вещество, почти вдвое разбавленное нейтронами, что приводит к стабильности ядра тяжелых химических элементов. По теории должно быть 6 тыс радиоактивных изотопов, 2 тыс изотопов известно. Периодическая система в 1930 г. заканчивалась 92-м химическим элементом – ураном. Более тяжелых элементов в природе не находили.

Итальянский ученый Э. Ферми расширил границы новых элементов, получив их в лабораторных условиях, облучая ядра урана замедленными нейтронами. Началась работа по синтезу трансурановых элементов в лаборатории, инициируя бета-распад (распад нейтрона на протон, электрон и нейтрино). Тяжелые ядра поглощали нейтроны и после β-распада превращались в элементы с атомным номером на единицу больше. Так шел процесс до сотого элемента (фермия).

После сотого элемента новые тяжелые элементы получали реакцией захвата тяжелым ядром ускоренных α-частиц (ядра гелия) или ядра изотопа водорода – дейтерия. При этом α-частица приносила в ядро сразу два новых протона и 99-й элемент давал 101-й. Ученые предполагают, что 114-й элемент по свойствам должен быть аналогом свинца, а 110 и 111-й элементы – аналоги платины и золота.

Почему же нет в природе трансурановых элементов? Ведь ядра рождаются и умирают и выживают более устойчивые. Наша планета образовалась около 4,5 млрд. лет назад и ядра трансурановых элементов и короткоживущих изотопов не дожили до нашего времени. Почти «вымер» изотоп урана-235.

Проблема относительной распространенности химических элементов на Земле и во Вселенной волновала ученых еще до рождения ядерной физики. Вселенная состоит из единого материала, разложенного по ячейкам таблицы Менделеева: 76 (70) % Н, 23 (28) % Не и 1 (2) % приходится на долю более тяжелых элементов. Относительная распространенность тяжелых элементов качественно совпадает для всех космических объектов, звезд, метеоритов, межзвездного пространства.

Везде преобладают легкие элементы. Среди средних по массе выделяется железо. Чаще других встречаются O, K, Pb. Таким образом, и содержание элементов в природе, и их происхождение связано с законами, управляющими ядерным веществом.

Физики связывают эволюцию элементов с определенными реакциями, в которых из более простых ядер рождаются сложные. Таким образом, эволюция элементов – результат определенной последовательности ядерных реакций, протекающих во Вселенной, где есть подходящие условия (расширение Вселенной).

Для рождения атомных ядер необходим исходный материал и достаточное количество энергии. Остывшая после расширения Вселенная не могла обеспечить даже минимальных условий необходимых для начала ядерных реакций. Их создали гравитационные силы.

Примерно 18 млрд лет назад там, где масса вещества случайно превысила некоторую критическую величину, начали формироваться первые звезды. Сжимая вещество, гравитация могла разогреть водородный газ – первый химический элемент Вселенной – до необходимой температуры в несколько миллионов градусов. Силы тяготения разожгли термоядерный костер в центре гигантского «резервуара» с водородным топливом. Звезды превратились в пылающую печь, в которой водород, сгорая, преобразовывался в гелий. Поэтому Н и Не – первые ступеньки в системе элементов. Из них в дальнейшем предстояло природе создать элементы периодической системы.

После начала синтеза элементов его продолжили гравитационные и ядерные силы. В сердцевине звезды выгорает водород, падает давление, новое гравитационное сжатие поднимает температуру еще выше – до 100 млн градусов. При такой температуре роль топлива продолжил вновь образованный из водорода гелий. Ядра гелия приобретали энергию, достаточную для преодоления более высокого, чем у протона водорода, электростатического барьера – α-частицы. В звездной печи, которая топилась α-частицами, выпекался достаточно широкий ассортимент атомных ядер. Сливаясь между собой, α-частицы создавали ядра углерода. Углерод, захватывая ядро гелия, превращался в кислород. А кислород, проделывая тоже самое, оборачивался неоном. И, наконец, при температуре, доведенной гравитационным сжатием до 1 млрд. градусов в топку шел углерод. На углеродном топливе в звездах образовывались ядра элементов до Fe.

Дальше начинали действовать накопившиеся в звезде нейтроны. Сложные ядра оказались как бы погружены в «ванну» из этих частиц. Захватывая нейтроны, атомные ядра начали расти по массе, образуя новые тяжелые элементы.

Считается, что нейтроны во время вспышки сверхновой, подобно песку во время самума заполняющему любую трещину, быстро в большом количестве забивают сложные ядра, переводя их в разряд самых тяжелых и неустойчивых. Может быть они как кристаллы в перенасыщенном растворе «растут» постепенно. По первому варианту предпочтение отдается образованию ядер платины, по второму – ядер свинца. Так действовали две модели нуклеосинтеза элементов. Некоторые теоретики допускают, что нейтронная звезда представляет собой остаток сверхновой и является космической фабрикой, специализирующейся на производстве тяжелых элементов.

Кроме того, космические лучи обогащаются каплями нейтронного вещества, которые после β-распада части нейтронов приобретают протоны и превращаются в ядра сверхтяжелых элементов. По-видимому, вся солнечная планетарная система и образовалась несколько миллиардов лет назад из такого «вторсырья», т.е. вещества, уже прошедшего через горнило ядерного звездного синтеза. Иначе невозможно объяснить присутствие тяжелых элементов в такой относительно молодой звезде как наше Солнце.

Считается, что нуклеосинтез элементов прекратился за сотни миллионов лет до образования солнечной системы. Но есть предположения, что синтез элементов непрерывно идет во Вселенной. На Земле новые элементы, возможно, образуются в ядре. Нестабильные атомные ядра тяжелых элементов, присутствующие на Земле, – это радиоактивные часы Вселенной.

1. 
   Н – сгорание водорода с образованием Не.
   
2. 
   N – горение водорода при высоких температурах.
   
3. 
   Не – горение Не с образованием С¹², О¹⁶, Nе²⁰. Процессы с α-частицами, при которых образуются Mg²⁴, Si²⁸, S³², Ar³⁶, Ca⁴⁰, в результате последовательного захвата α-частиц ядрами O¹⁶ и Ne²⁰.
   
4. 
   С – взрывное горение углерода.
   
5. 
   О – взрывное горение кислорода.
   
6. 
   Si – взрывное горение кремния.
   
7. 
   n – обогащение нейтронами продуктов горения кремния.
   
8. 
   Равновесный Е-процесс – статическое равновесие между ядрами, протонами и нейтронами при высокой температуре объясняющее пик распространенности для Fe.
   
9. 
   s-процесс медленного захвата нейтронов с образованием элементов до Вi²⁰⁹ включительно.
   
10. 
    r-процесс быстрого захвата нейтронов с образованием элементов до Cf²⁵⁴ с периодом полураспада 60 дней. За это время затухает вспышка сверхновой. Например, r-процесс в уменьшенном масштабе возникает при взрыве водородной бомбы, когда U²³⁸ подвергается действию мощного потока нейтронов, в большом – при вспышке сверхновых.
    
11. 
    р-процесс, при котором образуются богатые протонами ядра.
    
12. 
    х-процесс с образованием Li, Вe и В путем взаимодействия космических лучей с атомными ядрами межзвездной среды.
    
13. 
    U-процесс космологического нуклеосинтеза до образования звезд.
    

H, He	–	U
Li	–	x, H, U
Be, В	–	x
C	–	He, H
N	–	H
O	–	He, H
F	–	N
Ne	–	C, He, N
Na, Mg, Al	–	C
Si	–	O, Si
P	–	O
S, Cl, Ar, K	–	O, Si
Ca	–	O, Si, s, N
Sr	–	Si, Е
Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn	–	E
Ga, Ge	–	E, s
As, Br, Rb, Y, Nb, Zr, Rh	–	s, r
Th, U	–	r
Se, Kr, Sr, Mo, Ru, Pd, Cd, Zn, Sn, Sb, Te, I, Xe, Cs, Ba, La и лантаноиды, Hf, Ta, W, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Te, Pb и Bi	–	p, s, r